(57)【要約】【課題】圧力変動吸着式の酸素濃縮装置で生成する酸素富化空気の電力原単位を低く抑えて、省エネ化を図ることができる工業炉装置を提供する。【解決手段】空気流路ＡＲの上流側から順に設けられる、圧縮空気を供給するコンプレッサーＣと、圧縮空気中の窒素ガスを吸着させる複数の吸着塔ＡＴと、吸着塔ＡＴで生成された酸素富化空気を貯蔵するバッファタンクＢＴと、で主体が構成される圧力変動吸着式の酸素濃縮装置１と、工業炉２と、を備える。酸素濃縮装置１にて生成される気体の酸素濃度が２８〜６０％となるようにコンプレッサーＣの吐出圧力Ｐ１を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流路の上流側から順に設けられる、圧縮空気を供給するコンプレッサーと、圧縮空気中の窒素ガスを吸着させる複数の吸着塔と、前記吸着塔で生成された酸素富化空気を貯蔵するバッファタンクと、で主体が構成される圧力変動吸着式の酸素濃縮装置と、
工業炉と、を備え、
前記酸素濃縮装置にて生成される気体の酸素濃度が２８〜６０％となるように前記コンプレッサーの吐出圧力を制御することを特徴とする工業炉装置。
【請求項２】
前記酸素濃縮装置は、前記吸着塔を４つ備えることを特徴とする請求項１記載の工業炉装置。
【請求項３】
前記コンプレッサーの出力を調節可能にすることを特徴とする請求項１または２記載の工業炉装置。
【請求項４】
前記工業炉の温度に応じて前記コンプレッサーの出力を調節することを特徴とする請求項３記載の工業炉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力変動吸着式の酸素濃縮装置を備えた工業炉装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属溶解炉等の工業炉における省エネ性・生産性向上を図るため、酸素富化燃焼が行われており、酸素富化空気を得るために圧力変動吸着式の酸素濃縮装置が利用されている。
【０００３】
圧力変動吸着式の酸素濃縮装置は、２つの吸着塔を備え、一方の吸着塔で吸着を行うと共に他方の吸着塔で再生を行い、吸着と再生を交互に切り替えて酸素富化空気を効率よく生成するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１９０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、工業炉に圧力変動吸着式の酸素濃縮装置からの酸素富化空気を供給する場合、その酸素濃度が９０％以上の高酸素富化空気を供給しており、酸素富化空気の電力原単位が高いものであった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、圧力変動吸着式の酸素濃縮装置で生成する酸素富化空気の電力原単位を低く抑えて、省エネ化を図ることができる工業炉装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の工業炉装置は、
空気流路ＡＲの上流側から順に設けられる、圧縮空気を供給するコンプレッサーＣと、圧縮空気中の窒素ガスを吸着させる複数の吸着塔ＡＴと、前記吸着塔ＡＴで生成された酸素富化空気を貯蔵するバッファタンクＢＴと、で主体が構成される圧力変動吸着式の酸素濃縮装置１と、工業炉２と、を備え、前記酸素濃縮装置１にて生成される気体の酸素濃度が２８〜６０％となるように前記コンプレッサーＣの吐出圧力Ｐ１を制御することを特徴とする。
【０００８】
このように、酸素濃度が２８〜６０％の中酸素富化空気を酸素濃縮装置１にて生成するようにコンプレッサーＣの吐出圧力Ｐ１を制御するため、酸素濃度が９０％以上の高酸素富化空気を生成する場合と比較して、電力原単位を低く抑えることができる。
【０００９】
また請求項２は、請求項１において、前記酸素濃縮装置１は、前記吸着塔ＡＴを４つ備えることを特徴とする。
【００１０】
これにより、各吸着塔ＡＴにおいて吸着の３倍の時間をかけて再生することができて、充分な再生を行うことが可能となる。
【００１１】
また請求項３は、請求項１または２において、前記コンプレッサーＣの出力を調節可能にすることを特徴とする。
【００１２】
これにより、一定の出力で酸素濃縮装置１を運転することによる無駄をなくし、より一層省エネ化を図ることができる。
【００１３】
また請求項４は、請求項３において、前記工業炉２の温度に応じて前記コンプレッサーＣの出力を調節することを特徴とする。
【００１４】
これにより、細やかな制御を行うことで更なる省エネ化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にあっては、酸素濃縮装置で生成する酸素富化空気の電力原単位を低く抑えて、工業炉装置の省エネ化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の工業炉装置の一実施形態の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の工業炉装置の一実施形態について、図１に基づいて説明する。工業炉装置は、圧力変動吸着式の酸素濃縮装置１と、工業炉２と、制御部３とを備えたもので、まず圧力変動吸着式の酸素濃縮装置１について説明する。
【００１８】
圧力変動吸着式の酸素濃縮装置１は、いわゆるＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置で、空気流路ＡＲと、空気流路ＡＲの上流側から順に設けられる、空気を圧縮して送るコンプレッサーＣと、窒素ガスを吸着させて除去（低減）する吸着塔ＡＴと、吸着塔で生成された酸素富化空気を貯蔵するバッファタンクＢＴと、で主体が構成される。
【００１９】
コンプレッサーＣは、圧縮方式等は特に限定されないもので、圧縮後の吐出圧力Ｐ１を０．２ＭＰａ以上とすることができる。
【００２０】
吸着塔ＡＴは、内部に、空気中の窒素ガスを選択的に吸着させる吸着剤が装填されるもので、本実施形態では４つの吸着塔ＡＴ１〜ＡＴ４が並列に接続されている。吸着剤は、例えばゼオライトが好適に用いられるもので、高圧条件下で空気中の窒素ガスを吸着し、低圧条件下で吸着されている窒素ガスを離脱させる。空気流路ＡＲの吸着塔ＡＴ１の前後にはバルブＶ１１、Ｖ１２が設けられ、空気流路ＡＲの吸着塔ＡＴ２の前後にはバルブＶ２１、Ｖ２２が設けられ、空気流路ＡＲの吸着塔ＡＴ３の前後にはバルブＶ３１、Ｖ３２が設けられ、空気流路ＡＲの吸着塔ＡＴ４の前後にはバルブＶ４１、Ｖ４２が設けられている。
【００２１】
バッファタンクＢＴは、吸着塔ＡＴで生成された酸素富化空気を貯蔵するもので、その下流側の空気流路ＡＲにバルブＶ５が設けられる。
【００２２】
本実施形態では更に、吸着塔ＡＴにパージ流路ＰＲの下流端が接続されると共に、パージ流路ＰＲの上流端にパージタンクＰＴが接続され、吸着塔ＡＴに排気流路ＨＲの上流端が接続され、排気流路ＨＲの下流端は大気に開放されている。また、吸着塔ＡＴ１に接続されるパージ流路ＰＲにはバルブＶ１３が設けられると共に、吸着塔ＡＴ１に接続される排気流路ＨＲにはバルブＶ１４が設けられる。また、吸着塔ＡＴ２に接続されるパージ流路ＰＲにはバルブＶ２３が設けられると共に、吸着塔ＡＴ２に接続される排気流路ＨＲにはバルブＶ２４が設けられる。また、吸着塔ＡＴ３に接続されるパージ流路ＰＲにはバルブＶ３３が設けられると共に、吸着塔ＡＴ３に接続される排気流路ＨＲにはバルブＶ３４が設けられる。また、吸着塔ＡＴ４に接続されるパージ流路ＰＲにはバルブＶ４３が設けられると共に、吸着塔ＡＴ４に接続される排気流路ＨＲにはバルブＶ４４が設けられる。
【００２３】
運転方法について説明する。吸着塔ＡＴ１で吸着を行う工程では、吸着塔ＡＴ１を通して空気流路ＡＲを連通させるべくバルブＶ１１、Ｖ１２を開とし、他の吸着塔ＡＴ２〜ＡＴ４は閉塞するべくバルブＶ２１、Ｖ２２、Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ４１、Ｖ４２を閉とする。また、パージ流路ＰＲおよび排気流路ＨＲについては、吸着塔ＡＴ１のパージ流路ＰＲを閉塞するべくバルブＶ１３、Ｖ１４を閉として、他の吸着塔ＡＴ２〜ＡＴ４を通して大気に連通させるべく、バルブＶ２３、Ｖ２４、Ｖ３３、Ｖ３４、Ｖ４３、Ｖ４４を開とする。
【００２４】
そして、コンプレッサーＣで圧縮空気を吸着塔ＡＴ１に供給する。吸着塔ＡＴ１では、内部に装填された吸着剤の隙間を流れる圧縮空気の窒素ガスが吸着剤に吸着され、酸素富化空気が生成される。ここで、コンプレッサーＣの吐出圧力Ｐ１を高くする程、吸着剤に吸着される空気中の窒素ガスの量が増加して残りの空気中の酸素濃度が増加するもので、従来の圧力変動吸着式の酸素濃縮装置１では、酸素濃度が９０％以上の高濃度となるようにしているが、本実施形態では、吸着塔ＡＴ１で生成される酸素富化空気の酸素濃度が２８〜６０％となるように、コンプレッサーＣの吐出圧力Ｐ１を制御するものである。吐出圧力Ｐ１と酸素濃度の関係は、吸着剤の種類と量、吸着塔ＡＴへの装填方法、吸着塔ＡＴ内の形状等、吸着塔ＡＴの各種条件により異なるため、所定の酸素濃度とするための吐出圧力Ｐ１も各吸着塔ＡＴ毎に異なる。
【００２５】
吸着塔ＡＴ１での吸着工程は、吸着塔ＡＴ１に装填されている吸着剤の吸着能力に対し、実用上充分に吸着されるように行われ、生成した酸素富化空気は下流側のバッファタンクＢＴへと貯留される。この間、他の吸着塔ＡＴ２〜ＡＴ４においては、パージタンクＰＴから低圧の空気が供給され、吸着剤に吸着されている窒素ガスが離脱され、吸着剤が再生される。
【００２６】
吸着塔ＡＴ１に実用上充分に吸着されると、次の吸着塔ＡＴ２での吸着工程に移行する。この工程では、吸着塔ＡＴ２を通して空気流路ＡＲを連通させるべくバルブＶ２１、Ｖ２２を開とし、他の吸着塔ＡＴ３、ＡＴ４、ＡＴ１は閉塞するべくバルブＶ３１、Ｖ３２、Ｖ４１、Ｖ４２、Ｖ１１、Ｖ１２を閉とする。また、パージ流路ＰＲおよび排気流路ＨＲについては、吸着塔ＡＴ２のパージ流路ＰＲを閉塞するべくバルブＶ２３、Ｖ２４を閉として、他の吸着塔ＡＴ３、ＡＴ４、ＡＴ１を通して大気に連通させるべく、バルブＶ３３、Ｖ３４、Ｖ４３、Ｖ４４、Ｖ１３、Ｖ１４を開とする。
【００２７】
そして、コンプレッサーＣで圧縮空気を吸着塔ＡＴ２に供給し、酸素富化空気が生成され、酸素富化空気は下流側のバッファタンクＢＴへと貯留される。この間、他の吸着塔ＡＴ３、ＡＴ４、ＡＴ１においては、パージタンクＰＴから低圧の空気が供給され、吸着剤に吸着されている窒素ガスが離脱され、吸着剤が再生される。
【００２８】
その後、吸着塔ＡＴ３での吸着工程（他の吸着塔ＡＴ４、ＡＴ１、ＡＴ２では再生）、吸着塔ＡＴ４での吸着工程（他の吸着塔ＡＴ１〜３では再生）を同様に行い、以降は吸着塔ＡＴ１での吸着工程、吸着塔ＡＴ２での吸着工程、・・・と繰り返すものである。このように、４つの吸着塔ＡＴのうち一つを吸着に用いると共にこの間に他を再生することで、各吸着塔ＡＴにおいて吸着の３倍の時間をかけて再生することができて、充分な再生を行うことが可能となる。
【００２９】
工業炉２は、本実施形態では金属溶解炉で、バーナ２１を備えており、バーナ２１には、燃料ガスの供給管２２と空気供給管２３が接続される。空気供給管２３は、酸素濃縮装置１の空気流路ＡＲと、この空気流路ＡＲとは別の空気流路２４とが合流してなるもので、空気流路２４にはブロア２５が接続されている。バーナ２１には、空気供給管２３を介して酸素濃度が２８〜３０％の酸素富化空気が供給され、酸素富化燃焼を行うものである。なお、工業炉２は本実施形態では金属溶解炉であるが、鍛造炉等の酸素富化空気を要するあらゆる炉が適用可能である。
【００３０】
制御部３は、マイクロコンピュータからなるもので、コンプレッサーＣの駆動制御、バルブＶ１１〜Ｖ１４、バルブＶ２１〜Ｖ２４、バルブＶ３１〜Ｖ３４、バルブＶ４１〜Ｖ４４、バルブＶ５の開閉制御、工業炉２の炉内温度の検知、ブロア２５の制御等を行う。
【００３１】
上記の工業炉装置の運転例について説明する。酸素濃縮装置１については上述したように運転し、酸素濃度４５％の酸素富化空気を生成するように制御するもので、表１にコンプレッサーＣの電力量Ｗ、吐出圧力Ｐ１、圧縮した空気の流量Ｖ１、電力原単位Ｋを示し、表２に、バッファタンクＢＴでの圧力Ｐ２、吸着塔ＡＴにて生成した酸素の濃度、バッファタンクＢＴからの吐出流量Ｖ２、換算酸素量Ｖ３、酸素得率、吐出圧力Ｐ３を示す。
【００３２】
【表１】
2013117346.tif 000003
【００３３】
【表２】
2013117346.tif 000004
【００３４】
そして、バーナ２１に供給する酸素濃度が３０％となるように、ブロア２５で送る空気の流量を制御し、酸素濃度４５％の酸素富化空気に酸素濃度２１％の空気を混合させる。
【００３５】
この運転例での電力原単位は０．７８［ｋｗｈ／Ｎｍ３・Ｏ２］である。
【００３６】
また、比較例についても同様に表１、表２に示す。この比較例では、従来と同様に、酸素濃縮装置１で生成する酸素濃度が９５％という高酸素富化空気であり、この時の電力原単位は１．８４［ｋｗｈ／Ｎｍ３・Ｏ２］である。
【００３７】
本発明においては、酸素濃度が２８〜６０％の中酸素富化空気を酸素濃縮装置１にて生成するようにコンプレッサーＣの吐出圧力Ｐ１を制御しているため、酸素濃度が９０％以上の高酸素富化空気を生成する場合と比較して、電力原単位を低く抑えることができ、省エネ化を図ることができる。
【００３８】
また、バーナ２１で要する酸素富化空気の流量に応じて、コンプレッサーＣの出力を調節することで、より一層省エネ化を図ることができる。すなわち、従来の酸素濃縮装置１では一定の出力で運転を行っていて、工業炉で要する以上の酸素富化空気が生成されてしまい無駄が生じていたところ、本実施形態においてはそのような無駄を抑え省エネ化を図るものである。そして、バーナ２１で要する酸素富化空気の流量を、工業炉２の炉内温度に応じてコンプレッサーＣの出力を調節することで、細やかな制御を行い、更なる省エネ化を図ることができる。
【００３９】
なお、酸素濃縮装置１は、本実施形態ではいわゆるＰＳＡ装置として説明したが、いわゆるＰＶＳＡ装置（圧力真空スイング吸着法による装置）や、ＶＳＡ装置（真空スイング吸着法による装置）であってもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１    酸素濃縮装置
２    工業炉
２１  バーナ
２２  燃料ガスの供給管
２３  空気供給管
２４  空気流路
２５  ブロア
３    制御部
Ｃ    コンプレッサー
ＡＴ  吸着塔
ＢＴ  バッファタンク
ＡＲ  空気流路
ＰＲ  パージ流路
ＨＲ  排気流路
Ｖ    バルブ
【図１】
2013117346.tif 000005